DE19742664A1 - Ultrasonic, powder-feeder vibrator under phase locked loop control - Google Patents
Ultrasonic, powder-feeder vibrator under phase locked loop controlInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Oszillators mit einer Resonanzfrequenz und eine Pulverzufuhrvorrichtung mit der Antriebsvorrichtung darin. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Oszillators mit einer Resonanzfrequenz, bei dem eine phasenstarre (PLL) Steuerung so ausgeführt ist, daß sie der dem Oszillator gegebenen Resonanzfrequenz mit einer aktuellen Resonanzfre quenz folgt, wenn die Resonanzfrequenz des Oszillators, der die Resonanzfrequenz hat, sich aktuell ändert, und bezieht sich auf eine Pulverzufuhrvorrichtung, in die die Antriebs vorrichtung eingebaut ist.The invention relates to a drive device for driving an oscillator with a Resonance frequency and a powder supply device with the drive device therein. In particular, the invention relates to a drive device for driving an oscillator with a resonance frequency at which a phase locked (PLL) control is implemented that the resonance frequency given to the oscillator with a current resonance fre sequence follows when the resonance frequency of the oscillator that has the resonance frequency is currently changing, and refers to a powder feeder into which the drive device is installed.
Bei der Steuerung eines Oszillators mit einer Resonanzfrequenz im Resonanzbereich (Reso nanzpunkt) liegt ein übliches Steuerverfahren darin, eine an dem Oszillator liegende Trei ber- bzw. Antriebsspannung zu steuern. Beispielsweise ist in Fig. 10 eine Treiberspan nungssteuerspannung zum Antrieb eines Ultraschallmotors dargestellt. Bei dieser Steuer schaltung wird ein Spitzenwert der Treiberspannung in einem DC-DC-Wandler gesteuert.When controlling an oscillator with a resonance frequency in the resonance range (resonance point), a common control method is to control a driver or drive voltage connected to the oscillator. For example, in Fig. 10 a driving voltage control voltage for driving an ultrasonic motor is shown. In this control circuit, a peak value of the driver voltage is controlled in a DC-DC converter.
Die Betriebsweise der vorstehend genannten Steuerschaltung ist in Fig. 12 dargestellt, in dem eine Beziehung mit der dem Ultraschallmotor zugeführten Treiberspannung gezeigt ist.The operation of the above control circuit is shown in Fig. 12, which shows a relationship with the drive voltage supplied to the ultrasonic motor.
Im Falle des Antreibens des Oszillators mit der Resonanzfrequenz in dem Resonanzbereich (Resonanzpunkt), um diesen kontinuierliche wie bei dem Verfahren mittels der Treiber spannungssteuerschaltung anzutreiben, ist es dagegen schwierig, die Ausgangsleistung, wie die Vibrationsamplitude des Oszillators im Resonanzpunkt, mittels der Antriebskraft (beispielsweise der Treiberspannung) genau zu steuern. Weiter besteht ein Problem darin, daß in einem schmalen Steuerbereich keine Rückkopplung erfolgen kann.In the case of driving the oscillator at the resonance frequency in the resonance range (Resonance point) to make this continuous as in the method using the driver power control circuit, it is difficult to drive the output power, like the vibration amplitude of the oscillator at the resonance point, by means of the driving force (for example the driver voltage) to control precisely. Another problem is that no feedback can take place in a narrow control area.
Es wird daher ein Steuerverfahren vorgeschlagen, den Oszillator intermittierend mit der Antriebskraft zu beaufschlagen und zu steuern. Beispielsweise gibt es ein Steuerverfahren, bei dem eine Treiberspannung intermittierend angelegt wird, um die Betriebszeit je Zyklus (Tastverhältnis) zu steuern, insbesondere die zeitlich gemittelte Ausgangsleistung. Eine sol che Steuerung wird beispielsweise durchgeführt, indem eine in Fig. 11 im Blockdiagramm dargestellte Schaltung verwendet wird.A control method is therefore proposed to apply and control the driving force intermittently to the oscillator. For example, there is a control method in which a driver voltage is applied intermittently to control the operating time per cycle (duty cycle), in particular the time-averaged output power. Such control is performed, for example, by using a circuit shown in the block diagram in FIG. 11.
Als ein für eine solche Steuerung geeigneter Motor ist beispielsweise ein Ultraschallmotor mit einem Ultraschallresonator bekannt. Bei dem Ultraschallmotor wird die mechanische Deformation eines piezoelektrischen Elements, die durch elektrische Energie verursacht wird, verwendet, um eine mechanische Schwingung bzw. Vibration eines Vibrators zu er zeugen, und die Leistungsabgabe des Ultraschallmotors verändert sich durch Veränderung des Tastverhältnisses der Treiberspannung.An example of a suitable motor for such a control is an ultrasonic motor known with an ultrasonic resonator. The mechanical Deformation of a piezoelectric element caused by electrical energy is used to generate a mechanical vibration of a vibrator testify, and the power output of the ultrasonic motor changes through change the duty cycle of the driver voltage.
Beispielsweise erzeugt ein Ultraschallresonator, der sowohl axiale Schwingungen (Längsvi brationen) und Biegeschwingungen erzeugt, an seinem oberen Ende eine elliptische Oszilla tion mit der Resonanzfrequenz. An dem oberen Ende des Resonators ist ein Rohr befestigt, und in das Rohr wird Pulver eingeführt, das Pulver wird dann in die bestimmte Richtung bewegt, so daß dieser Mechanismus als eine Pulverzufuhrvorrichtung verwendet werden kann. In diesem Fall wird der Resonator intermittierend mit einer Treiberwechselspannung mit der Resonanzfrequenz beaufschlagt, um die Zuführmenge von Pulver zu steuern. Die durch das Tastverhältnis gesteuerte Treiberspannung ist in Fig. 13 dargestellt.For example, an ultrasonic resonator that generates both axial vibrations (longitudinal vibrations) and bending vibrations generates an elliptical oscillation with the resonance frequency at its upper end. A tube is attached to the upper end of the resonator and powder is introduced into the tube, the powder is then moved in the specific direction so that this mechanism can be used as a powder feeder. In this case, the resonator is intermittently applied with a driving AC voltage with the resonance frequency to control the supply amount of powder. The drive voltage controlled by the duty cycle is shown in FIG. 13.
In einigen Fällen wird eine Antriebskraft bzw. Antriebsleistung mit der Resonanzfrequenz intermittierend angelegt, um eine gepulste Vibration zu erhalten. Bei einem Fischdetektor zum Ermitteln der Topographie eines Meeresgrundes oder von Fischen mittels Senden von Ultraschallwellen in das Wasser und durch Erfassen des reflektierten Echos wird eine Trei berspannung einer Resonanzfrequenz intermittierend in das Wasser hinein angelegt, um Ul traschallwellen in das Wasser zu senden. Nach dem Senden der Ultraschallwellen wird dann die Schwingung gestoppt und aus dem Wasser wird ein Echo empfangen und auf die se Weise dient der Fischdetektor als ein Sensor zum Aufnehmen der Information im Was ser.In some cases, a driving force or driving power with the resonance frequency applied intermittently to obtain a pulsed vibration. At a fish detector to determine the topography of a sea bed or fish by sending Ultrasound waves into the water and by sensing the reflected echo becomes a trei Surge of a resonance frequency intermittently applied into the water to Ul sending ultrasonic waves into the water. After sending the ultrasonic waves will then the vibration stops and an echo is received from the water and onto the In this way, the fish detector serves as a sensor for recording the information in the what ser.
Ähnliche Beispiele enthalten einen Ultraschallwellensensor zum Erfassen des Vorhanden seins einiger Objekte in der Luft, indem Ultraschallwellen in das Wasser emittiert werden und von einem Objekt reflektierte Ultraschallwellen erfaßt werden, und einen Ultraschall entfernungsmesser zum Messen der Entfernung durch Messen der Reflexionszeit der Ul traschallwelle. Andererseits gibt es einen Fall, bei dem die Resonanzfrequenz des Vibrators, beispielsweise in der Pulverzufuhrvorrichtung, auf der Basis der Gewichtsänderung des Pulvers während dessen Zuführung sich ändert. In dem Fall, daß sich die Resonanzfrequenz des Vibrators aktuell ändert, wird üblicherweise eine phasenstarre (PLL) Steuerschaltung als Steuerschaltung verwendet, um der Resonanzfrequenz des Vibrators mit der aktuellen Resonanzfrequenz zu folgen. Eine übliche PLL-Steuerschaltung ist in Fig. 4 gezeigt. Fig. 5 zeigt die Betriebsweise der PLL- Steuerschaltung.Similar examples include an ultrasonic wave sensor for detecting the presence of some objects in the air by emitting ultrasonic waves into the water and detecting ultrasonic waves reflected from an object, and an ultrasonic range finder for measuring the distance by measuring the reflection time of the ultrasonic wave. On the other hand, there is a case where the resonance frequency of the vibrator, for example, in the powder supply device, changes based on the weight change of the powder while it is being supplied. In the event that the resonant frequency of the vibrator is currently changing, a phase locked (PLL) control circuit is usually used as the control circuit to follow the resonant frequency of the vibrator with the current resonant frequency. A common PLL control circuit is shown in FIG. 4. Fig. 5 shows the operation of the PLL control circuit.
Die PLL-Steuerschaltung hat eine Rückkopplungsschleife, die zum Herausziehen (Demodu lieren) eines Basisbandsignals aus einer frequenzmodulierten Trägerwelle verwendet wird. Die PLL-Steuerschaltung ist aus einem Phasenkomparator 101, einem Schleifenfilter 102 und einem Spannungssteueroszillator 103 aufgebaut, wie in Fig. 4 dargestellt. In der PLL- Steuerschaltung werden eine Phase des Eingangssignals und eine Phase des Ausgangs signals aus dem Spannungssteueroszillator 103 wechselseitig in den Phasenkomparator 101 verglichen, und das Ausgangssignal des Phasenkomparators 101 wird dem Schleifenfilter 102 zugeführt. Basierend auf dem Ausgangssignal des Schleifenfilters 102 wird die Span nung des Spannungssteueroszillators 103 gesteuert.The PLL control circuit has a feedback loop that is used to extract (demodulate) a baseband signal from a frequency-modulated carrier wave. The PLL control circuit is composed of a phase comparator 101 , a loop filter 102 and a voltage control oscillator 103 , as shown in FIG. 4. In the PLL control circuit, a phase of the input signal and a phase of the output signal from the voltage control oscillator 103 are mutually compared in the phase comparator 101 , and the output signal of the phase comparator 101 is supplied to the loop filter 102 . Based on the output signal of the loop filter 102 , the voltage of the voltage control oscillator 103 is controlled.
Das bedeutet, daß, wenn die Frequenz des Eingangssignals und die Frequenz des Span nungssteueroszillators 103 verschieden sind, ein Schwebungssignal, das dem Unterschied zwischen den Frequenzen des Eingangssignals und des Spannungssteueroszillators 103 ent spricht, als Ausgangssignal des Phasenkomparators 101 erzeugt wird. Wenn in Fig. 5 das Ausgangssignal in einem Synchronbereich in der PLL-Steuerschaltung liegt, nähert sich die Frequenz des Spannungssteueroszillators 103 der Frequenz des Eingangssignals in der po sitiven Halbperiode und entfernt sich von der Frequenz des Eingangssignals in der negati ven Halbperiode. Basierend darauf ändert sich die Gleichstromkomponente in der positiven Halbperiode langsam im Vergleich zur negativen Halbperiode, und der Pegel der Gleich spannungskomponente wird insgesamt positiv. Der Spannungssteueroszillator 103 ist derart gesteuert, daß der Unterschied zwischen den Frequenzen durch die Gleichspannung kleiner wird. Beide Frequenzen des Eingangssignals und des Spannungssteueroszillators 103 syn chronisieren sich vollständig, wenn die Antwort der PLL-Steuerschaltung der Welle des Schwebungssignals folgen kann.That is, when the frequency of the input signal and the frequency of the voltage control oscillator 103 are different, a beat signal corresponding to the difference between the frequencies of the input signal and the voltage control oscillator 103 is generated as the output signal of the phase comparator 101 . In Fig. 5, when the output signal is in a synchronous range in the PLL control circuit, the frequency of the voltage control oscillator 103 approaches the frequency of the input signal in the positive half period and moves away from the frequency of the input signal in the negative half period. Based on this, the DC component slowly changes in the positive half cycle compared to the negative half cycle, and the level of the DC component becomes positive overall. The voltage control oscillator 103 is controlled such that the difference between the frequencies is made smaller by the DC voltage. Both frequencies of the input signal and the voltage control oscillator 103 synchronize completely when the response of the PLL control circuit can follow the wave of the beat signal.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Antriebsvorrichtung für den Oszillator bestehen folgende Probleme. Wenn der Spitzenwert der Treiberspannung niedrig wird, wird es bei dem Spannungssteuer- bzw. Regelverfahren schwierig, den Strom in dem Pha senkomparator 101 der PLL-Steuerschaltung zu erfassen. Weiter wird die PLL-Steuer schaltung geöffnet, da an dem Vibrator, beispielsweise dem Ultraschallmotor, nicht die korrekte Spannung liegt, wodurch die Resonanzfrequenz des Vibrators nicht der aktuellen Resonanzfrequenz folgen kann, wenn sich die Resonanzfrequenz des Vibrators aktuell än dert.The conventional drive device for the oscillator described above has the following problems. When the peak value of the drive voltage becomes low, the voltage control method makes it difficult to detect the current in the phase comparator 101 of the PLL control circuit. Furthermore, the PLL control circuit is opened because the vibrator, for example the ultrasonic motor, is not at the correct voltage, as a result of which the resonance frequency of the vibrator cannot follow the current resonance frequency if the resonance frequency of the vibrator is currently changing.
Bei dem Tastverhältnis-Steuerverfahren wird die PLL-Steuerschaltung ebenfalls in einer in aktiven Periode des Tastverhältnisses geöffnet, so daß die Resonanzfrequenz des Vibrators der aktuellen Resonanzfrequenz nicht folgen kann, wenn die Resonanzfrequenz sich tat sächlich bzw. aktuell ändert. Dieses Problem wird insbesondere dann erheblich, wenn das Tastverhältnis klein ist. Signalwellen in der in Fig. 11 gezeigten Schaltung sind in Fig. 14 dargestellt. Fig. 14(a) zeigt ein Ausgangssignal aus der Tastverhältnis-Steuerschaltung, Fig. 14(b) zeigt ein Ausgangssignal aus der Treiberschaltung und Fig. 14(c) zeigt ein Aus gangssignal nach der Wellen- bzw. Impulsformgestaltung. Nach der Wellenformgestaltung verschwindet der Impuls entsprechend einer Periode, während der Vibrator von der Tast verhältnis-Steuerschaltung nicht mit einer Vibration bzw. Schwingung beaufschlagt ist. Da her wird in der PLL-Steuerschaltung keine Rückkopplung ausgeführt, und die PLL- Steuerschaltung wird geöffnet. Im Ergebnis arbeitet die PLL-Steuerschaltung nicht, wenn die Resonanzfrequenz des Vibrators sich aktuell ändert.In the duty cycle control method, the PLL control circuit is also opened in an active period of the duty cycle, so that the resonance frequency of the vibrator cannot follow the current resonance frequency if the resonance frequency actually or actually changes. This problem becomes particularly significant when the duty cycle is small. Signal waves in the circuit shown in FIG. 11 are shown in FIG. 14. Fig. 14 (a) shows an output signal from the duty cycle control circuit, Fig. 14 (b) shows an output signal from the driver circuit and Fig. 14 (c) shows an output signal after the wave or pulse shape design. After the waveform design, the pulse disappears in accordance with a period, while the vibrator is not subjected to vibration by the duty ratio control circuit. Therefore, no feedback is performed in the PLL control circuit, and the PLL control circuit is opened. As a result, the PLL control circuit does not work when the resonance frequency of the vibrator is currently changing.
Weiter bleibt bei den Resonatoren in dem Fischdetektor oder dem Ultraschallentfernungs messer ein Problem dahingehend, daß die Zeitunterschiedsmessung zwischen der emittier ten und reflektierten Ultraschallwelle irrtümlicherweise durchgeführt wird, wenn die Fre quenz der Ultraschallwelle schwankt.The resonators remain in the fish detector or the ultrasonic removal knife a problem in that the time difference measurement between the emitting th and reflected ultrasonic wave is erroneously performed when the Fre frequency of the ultrasonic wave fluctuates.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu lösen und eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Oszillators mit einer Resonanzfrequenz zu schaf fen, bei der eine PLL-Steuerung korrekt durchgeführt werden kann, so daß die an dem Os zillator liegende Resonanzfrequenz dessen aktueller Resonanzfrequenz folgt, während der Vibrator mittels Tastverhältnis-Steuerung gesteuert wird, wenn die Resonanzfrequenz sich aktuell ändert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Pulverzufuhrvorrich tung zu schaffen, in die eine solche Antriebsvorrichtung installiert ist.It is an object of the invention to solve the above problems and a To provide drive device for driving an oscillator with a resonance frequency in which a PLL control can be performed correctly so that the on the Os zillator lying resonance frequency whose current resonance frequency follows during the Vibrator is controlled by duty cycle control when the resonance frequency changes currently changing. Another object of the invention is to provide a powder feeder device to create, in which such a drive device is installed.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgaben schafft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung
zum Antreiben eines Vibrators durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Resonanz
frequenz an den Vibrator, welche Antriebsvorrichtung enthält:
eine phasenstarre (PLL) Steuereinrichtung zum Folgen der Resonanzfrequenz
mit einer aktuellen Resonanzfrequenz, wenn sich die Resonanzfrequenz aktuell ändert;
eine Tastverhältnis-Steuereinrichtung zum Anlegen der Wechselspannung mit der Reso
nanzfrequenz an den Vibrator entsprechend einem Tastverhältnis; und
eine Rückkopplungseinrichtung zum Erfassen einer Restfrequenz einer elektro
motorischen Kraft, die aufgrund einer Restoszillation des Vibrators erzeugt wird, wenn die
Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht an dem Vibrator liegt, und zum Rück
koppeln der erfaßten Restfrequenz auf die PLL-Steuereinrichtung.To achieve the above objects, the invention provides a drive device for driving a vibrator by applying an alternating voltage with a resonance frequency to the vibrator, which drive device contains:
a phase locked (PLL) controller for following the resonance frequency with a current resonance frequency when the resonance frequency is currently changing;
a duty cycle control device for applying the AC voltage with the resonance frequency to the vibrator in accordance with a duty cycle; and
a feedback device for detecting a residual frequency of an electromotive force which is generated due to a residual oscillation of the vibrator when the AC voltage with the resonance frequency is not on the vibrator, and for coupling the detected residual frequency back to the PLL control device.
Weiter schafft die Erfindung eine Pulverzufuhrvorrichtung, enthaltend:
einen Vibrator mit einem oberen Ende, das mit einer elliptischen Bewegung os
zilliert, wenn eine Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz anliegt;
eine Pulverzufuhrbahn, die an dem oberen Ende des Vibrators befestigt ist;
einen Pulverspeichertrichter zum Speichern und Zuführen des Pulvers zu der Pulverzufuhr
bahn;
eine Tastverhältnis-Steuereinrichtung zum Anlegen der Wechselspannung mit
der Resonanzfrequenz an den Vibrator entsprechend einem Tastverhältnis;
eine phasenstarre (PLL) Steuereinrichtung zum Folgen der Resonanzfrequenz
mit einer aktuellen Resonanzfrequenz, wenn die Resonanzfrequenz sich aktuell ändert; und
eine Rückkopplungseinrichtung zum Erfassen einer Restfrequenz einer elektro
magnetischen Kraft, die aufgrund einer Restoszillation eines Vibrators erzeugt wird, wenn
die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht an dem Vibrator liegt, und zum
Rückkoppeln der erfaßten Restfrequenz auf die PLL-Steuereinrichtung.
The invention further provides a powder feed device comprising:
a vibrator with an upper end that oscillates with an elliptical movement when an AC voltage is applied at a resonance frequency;
a powder feed path attached to the upper end of the vibrator;
a powder storage hopper for storing and supplying the powder to the powder supply path;
a duty cycle controller for applying the AC voltage at the resonance frequency to the vibrator in accordance with a duty cycle;
phase locked (PLL) control means for following the resonance frequency with a current resonance frequency when the resonance frequency is currently changing; and
a feedback device for detecting a residual frequency of an electromagnetic force which is generated due to a residual oscillation of a vibrator when the AC voltage with the resonance frequency is not on the vibrator and for feeding back the detected residual frequency to the PLL control device.
Bei der Steuervorrichtung legt die Tastverhältnis-Steuereinrichtung die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz an den Vibrator für eine Zeitdauer entsprechend dem Tastver hältnis an. Dadurch oszilliert der Vibrator mit der Resonanzfrequenz. Wenn die Wechsel spannung nicht anliegt, oszilliert der Vibrator leicht mit der Restoszillation aufgrund der in dem Vibrator erzeugten elektromotorischen Kraft.In the control device, the duty cycle control device applies the AC voltage with the resonance frequency to the vibrator for a period of time corresponding to the Tastver relationship. This causes the vibrator to oscillate at the resonance frequency. If the changes voltage is not present, the vibrator oscillates slightly with the residual oscillation due to the electromotive force generated in the vibrator.
Andererseits gibt es einen Fall, daß sich die Resonanzfrequenz aktuell auf der Basis äuße rer Einflüsse, wie einer Laständerung, die in dem Vibrator auftreten, ändert. Um diesem Fall zu entsprechen, ist die PLL-Steuereinrichtung in der Antriebsvorrichtung vorhanden, so daß die an dem Vibrator liegende Resonanzfrequenz automatisch der aktuellen Reso nanzfrequenz folgt. Die PLL-Steuereinrichtung hat eine Schleifenkonstruktion und funktio niert rasch und genau, so daß sie auf eine leichte Abweichung zwischen der Resonanz frequenz und der aktuellen Resonanzfrequenz reagiert.On the other hand, there is a case that the resonance frequency is currently expressed on the basis influences such as a load change that occur in the vibrator. To this To suit the case, the PLL control device is present in the drive device, so that the resonance frequency at the vibrator automatically corresponds to the current resonance frequency follows. The PLL control device has a loop construction and functio kidneys quickly and accurately, so that there is a slight deviation between the resonance frequency and the current resonance frequency responds.
Wenn der Vibrator nicht unter Steuerung der Tastverhältnis-Steuereinrichtung schwingt, kann bei der herkömmlichen Vorrichtung dagegen keine Rückkopplungssteuerung erfolgen, wodurch die Steuerung mittels der PLL-Steuereinrichtung stoppt. Danach beginnt eine solche Steuerung mittels der PLL-Steuereinrichtung wieder, nachdem die Wechselspannung wiederum mittels der Tastverhältnis-Steuereinrichtung an dem Vibrator liegt. Daher kann die PLL-Steuereinrichtung nicht effizient arbeiten, wodurch im Ergebnis in der Antriebs vorrichtung mit der Tastverhältnis-Steuereinrichtung und der PLL-Steuereinrichtung ein Problem verbleibt, das darin besteht, daß die Oszillation des Vibrators schwach wird, wenn die Resonanzfrequenz des Vibrators sich aktuell ändert. Weiter verbleibt ein Problem dahingehend, daß die Schleife der PLL-Steuereinrichtung geöffnet wird und die Oszillation des Vibrators außerhalb der Resonanzfrequenz schwach wird, selbst wenn sich die Reso nanzfrequenz aktuell nicht ändert.If the vibrator is not vibrating under the control of the duty cycle controller, in contrast, no feedback control can take place in the conventional device, whereby the control by means of the PLL control device stops. Then one begins such control again by means of the PLL control device after the AC voltage in turn lies on the vibrator by means of the duty cycle control device. Therefore The PLL controller does not work efficiently, which results in the drive device with the duty cycle control device and the PLL control device Problem remains that the oscillation of the vibrator becomes weak, when the resonance frequency of the vibrator is currently changing. There is still a problem in that the loop of the PLL controller is opened and the oscillation of the vibrator becomes weak outside the resonance frequency, even if the Reso Current frequency does not change.
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung dagegen erfaßt die Rückkopplungseinrich tung den Laststrom, der aufgrund der elektromotorischen Kraft erzeugt wird, die auf Basis der Restoszillation des Vibrators auftritt und wandelt den Laststrom in eine Spannung um. Weiter wandelt die Rückkopplungseinrichtung die Spannung in die Phaseninformation und die Oszillationsfrequenzinformation und koppelt diese Information auf die PLL-Steuerein richtung zurück. Da die Frequenz der Restoszillation als Rückkopplungssignal verwendet wird, kann auf diese Weise die PLL-Steuereinrichtung arbeiten, wenn die Wechselspan nung aufgrund der Tastverhältnis-Steuereinrichtung nicht an dem Vibrator liegt. Daher kann die an dem Vibrator liegende Resonanzfrequenz rasch und genau der aktuellen Reso nanzfrequenz folgen, wenn die Resonanzfrequenz des Oszillators sich aktuell ändert.In the drive device according to the invention, however, the feedback device detects tion the load current that is generated based on the electromotive force the vibrator's residual oscillation occurs and converts the load current into a voltage. Furthermore, the feedback device converts the voltage into the phase information and the oscillation frequency information and couples this information to the PLL controller direction back. Because the frequency of the residual oscillation is used as a feedback signal in this way, the PLL controller can operate when the AC voltage voltage due to the duty cycle control device is not due to the vibrator. Therefore the resonance frequency at the vibrator can quickly and precisely match the current resonance follow frequency if the resonance frequency of the oscillator is currently changing.
Der Vibrator mit einer Resonanzfrequenz, der mit der Resonanzfrequenz intermittierend angetrieben wird, kann ein Vibrator sein, der elektrische und magnetische Energie in me chanische Energie umwandelt, wobei ein piezoelektrisches Element, ein elektrostriktives Element oder ein magnetorestriktives Element verwendet wird. Durch Verwendung solcher Elemente kann durch Anlegen einer Spannung auf einfache Weise eine mechanische Ver formung erfolgen.The vibrator with a resonance frequency that is intermittent with the resonance frequency is driven, can be a vibrator, the electrical and magnetic energy in me converts chanic energy using a piezoelectric element, an electrostrictive Element or a magnetorestrictive element is used. By using such Elements can easily be mechanically connected by applying a voltage shaping.
Beispiele von Vibratoren mit piezoelektrischen Elemente umfassen Fischdetektorvibratoren, wie sie für hydroakustische Erzeugung eines Fischdetektors verwendet werden, Luftultra schallvibratoren, wie sie in Ultraschallentfernungsmessern und Ultraschallsensoren verwen det werden, Ultraschallvibratoren, wie sie zum Schmelzen, Bearbeiten und Schneiden von Kunststoffen verwendet werden, und Ultraschallmotoren.Examples of vibrators with piezoelectric elements include fish detector vibrators, as used for hydroacoustic generation of a fish detector, air ultra sound vibrators as used in ultrasonic range finders and ultrasonic sensors Det, ultrasonic vibrators, such as those for melting, machining and cutting Plastics are used and ultrasonic motors.
Bei der erfindungsgemäßen Pulverzufuhrvorrichtung oszilliert das obere Ende des Vibra tors mit elliptischer Bewegung, wodurch die an dem oberen Ende befestigte Pulverzufuhr bahn ebenfalls mit elliptischer Bewegung oszilliert. Pulver, das der Pulverzufuhrbahn aus dem Pulverspeichertrichter zugeführt wird, erfährt eine Beschleunigung in waagrechter Richtung (in der Richtung senkrecht zur Längsvibration des Vibrators und in der Richtung parallel zu der Biegeschwingungsrichtung des Vibrators) und wird bewegt. Auf diese Weise wird das Pulver zugeführt bzw. transportiert. Durch Installation der Antriebsvorrichtung in der Pulverzufuhrvorrichtung kann die Steuerung mittels der PLL-Steuereinrichtung weiterhin erfolgen, wenn die Wechselspannung nicht an dem Vibrator unter Steuerung mit tels der Tastverhältnis-Steuereinrichtung liegt. Daher kann die Pulverzufuhrmenge mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.In the powder feed device according to the invention, the upper end of the vibra oscillates torsion with elliptical movement, whereby the powder supply attached to the upper end orbit also oscillates with elliptical movement. Powder made from the powder feed path is fed to the powder storage hopper, accelerates horizontally Direction (in the direction perpendicular to the longitudinal vibration of the vibrator and in the direction parallel to the bending vibration direction of the vibrator) and is moved. In this way the powder is fed or transported. By installing the drive device In the powder feed device, the control can be carried out by means of the PLL control device continue to occur when the AC voltage is not under control on the vibrator means of the duty cycle control device. Therefore, the amount of powder can be added can be controlled with high accuracy.
Die obigen und weitere Aufgaben bzw. Ziele und neue Eigenschaften der Erfindung wer den anhand der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erläu tert. Die Zeichnungen sind jedoch nur zum Zwecke der Darstellung und nicht als eine De finition der Begrenzungen der Erfindung gedacht.The above and other objects or objectives and new features of the invention who which with reference to the following description together with the accompanying drawings tert. However, the drawings are only for the purpose of illustration and not as a de finition of the limitations of the invention.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei zeigen:The invention is explained below with reference to the drawings, wherein demonstrate:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Antriebsvorrichtung entsprechend einer Ausführungs form der Erfindung; Fig. 1 is a block diagram of a drive device according to an embodiment of the invention;
Fig. 2 Wellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Antriebsvorrichtung; Fig. 2 waveforms to explain the operation of the drive device;
Fig. 3 ein Schaltbild der Antriebsvorrichtung; Fig. 3 is a circuit diagram of the drive device;
Fig. 4 ein Blockdiagramm der PLL-Steuerschaltung; Fig. 4 is a block diagram of the PLL control circuit;
Fig. 5 Wellenformen zur Erläuterung des Betriebs der PLL-Steuerschaltung; Fig. 5 waveforms for explaining the operation of the PLL control circuit;
Fig. 6 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, die schematisch die Pulverzufuhrvorrichtung zeigt; Fig. 6 is a view, partly in section, schematically showing the powder supply device;
Fig. 7 eine Kurve, die die Frequenzcharakteristik der Eingangsimpedanz eines Vibra tors zeigt; Fig. 7 is a graph showing the frequency characteristic of the input impedance of a vibrator;
Fig. 8 eine schematische Ansicht des Vibrators, die die Schwingungszustände des Vi brators bei Antrieb mit der Resonanzfrequenz zeigt, Fig. 8 shows a schematic view of the vibrator, the brators the vibrational states of the Vi in driving at the resonance frequency,
Fig. 9 eine schematische Ansicht des Vibrators, die die Schwingungszustände für je den Viertelzyklus bei Antrieb mit der Resonanzfrequenz zeigt; Fig. 9 is a schematic view of the vibrator showing the vibration states for each quarter cycle when driven at the resonance frequency;
Fig. 10 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Spannungssteuerschaltung; FIG. 10 is a block diagram of a conventional voltage control circuit;
Fig. 11 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Tastverhältnis-Steuerschaltung; Fig. 11 is a block diagram of a conventional duty cycle control circuit;
Fig. 12 Wellenformen der Steuerspannung und der Treiberspannung in der herkömm lichen Spannungssteuerschaltung; Fig. 12 waveforms of the control voltage and the drive voltage in the conven union voltage control circuit;
Fig. 13 Wellenformen des Tastverhältnis-Steuertaktes und der Treiberspannung in der herkömmlichen Tastverhältnis-Steuerschaltung; und Fig. 13 waveforms of duty cycle control clock, and the driving voltage in the conventional duty cycle control circuit; and
Fig. 14 Wellenformen des Tastverhältnis-Steuertaktes, des Laststroms und des Aus gangssignals nach der Wellenformgestaltung in der herkömmlichen Tastverhält nis-Steuerschaltung. Fig. 14 waveforms of the duty cycle control clock, the load current and the output signal after the waveform design in the conventional duty cycle control circuit.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt im folgenden eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsform, die die Erfindung enthält.A detailed description will be given below with reference to the drawings the embodiment incorporating the invention.
Der Aufbau einer Pulverzufuhrvorrichtung entsprechend der Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt. Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau der Pulverzufuhrvorrichtung.The structure of a powder supply device according to the embodiment is shown in FIG. 6. Fig. 6 shows schematically the structure of the powder feed device.
Der Vibrator 10 ist ein Ultraschallmotor vom sogenannten Lineartyp, wobei zwei flache, ringförmige piezoelektrische Elemente 1 unter Zwischenanordnung einer in der Figur nicht dargestellten Elektrode gestapelt sind und zwischen einem etwa zylindrischen Metallhorn 2a und einem etwa hohlzylindrischen metallischen Rückhorn 2b angeordnet sind. Der Vibrator 10 ist mittels einer Schraube 3 an einem Befestigungsbauteil 4 befestigt, wobei die Schraube 3 an einem Ende an dem Horn 2a befestigt ist und durch ein Durchgangsloch hindurch eingesetzt ist, das sich durch das Rückhorn 2b und das piezoelektrische Element 1 in der Mitte erstreckt.The vibrator 10 is an ultrasonic motor of the so-called linear type, wherein two flat, ring-shaped piezoelectric elements 1 are stacked with an electrode not shown in the figure and are arranged between an approximately cylindrical metal horn 2 a and an approximately hollow cylindrical metallic back horn 2 b. The vibrator 10 is fastened by means of a screw 3 to a fastening component 4 , the screw 3 being fastened at one end to the horn 2 a and inserted through a through hole which is through the back horn 2 b and the piezoelectric element 1 in the Middle extends.
Das Ende 2c des Horns 2a ist doppelt abgeflacht und mit einem Durchgangsloch 2d zum Einsatz eines Rohrs, wie nachfolgend beschrieben, versehen.The end 2 c of the horn 2 a is flattened twice and provided with a through hole 2 d for the use of a tube, as described below.
Ein Pulverzufuhrrohr 20, in dessen innerem Teil das Pulver strömt, ist in das Durchgangs loch 2d eingesetzt und daran befestigt. Das Ende 21 des Pulverzufuhrrohrs 20, das sich in der Figur linksseitig befindet, ist leicht abwärts gebogen, um das Herausfallen des von der rechten Seite der Figur her zugeführten Pulvers P aus dem Ende 21 des Rohrs 20 zu unterstützen.A powder feed pipe 20 , in the inner part of which the powder flows, is inserted into the through hole 2 d and fastened thereto. The end 21 of the powder supply pipe 20 , which is located on the left-hand side in the figure, is bent slightly downward in order to help the powder P supplied from the right-hand side of the figure fall out of the end 21 of the pipe 20 .
Das andere Ende, in der Figur rechtsseitige Ende 22 des Rohrs 20 ist leicht aufwärts gebo gen, um die nach links in der Figur erfolgende Bewegung des von einem Trichterkörper 30 zugeführten Pulvers P zu unterstützen.The other end, on the right-hand end 22 of the tube 20 in the figure, is bent slightly upward in order to support the movement of the powder P supplied by a funnel body 30 to the left in the figure.
Der Trichterkörper 30 ist vorgesehen, um das Pulver P zu speichern und das Pulver P langsam dem Rohr 20 zuzuführen, wobei der Boden 31 eine Trichterform hat. Mit dem Boden 31 ist ein Rohr 32 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Ende 22 des Pulverzu fuhrrohrs 20 verbunden ist. Entsprechend wird das in den Trichterkörper 30 geladene Pulver P durch das Rohr 32 hindurch dem Rohr 20 zugeführt. Das Rohr 22 besteht aus flexiblem Material, das so gewählt ist, daß die Schwingung bzw. Vibration des Vibrators 10 nicht unterdrückt wird; in der vorliegenden Ausführungsform wird ein Nylonrohr ver wendet.The funnel body 30 is provided to store the powder P and to slowly feed the powder P to the tube 20 , the bottom 31 having a funnel shape. With the bottom 31 , a tube 32 is connected, the other end of which is connected to the end 22 of the powder feed tube 20 . Accordingly, the powder P loaded into the funnel body 30 is fed through the pipe 32 to the pipe 20 . The tube 22 is made of flexible material, which is chosen so that the vibration of the vibrator 10 is not suppressed; In the present embodiment, a nylon tube is used.
Fig. 7 zeigt das Ergebnis einer Messung der Eingangsimpedanzfrequenzcharakteristik des Vibrators 10, gemessen mittels eines Impedanzanalysators. Aus diesem Ergebnis ist offen sichtlich, daß die Resonanzfrequenz Fr des Vibrators 10 bei 29,4 kHz liegt. Ein Antrieb mit dieser Resonanzfrequenze Fr erzeugt eine große Schwingung. Der Antrieb mit einer von der Resonanzfrequenz verschiedenen Frequenz, insbesondere einer Nichtresonanzfre quenz, erzeugt eine schwache Schwingung, da die Antriebsenergie aufgrund der hohen Im pedanz nicht eindringen kann. Bei der vorstehenden Ausführungsform wird der Antrieb des Vibrators 10 AN und AUS-geschaltet, indem abwechselnd die Resonanzfrequenz und die Nichtresonanzfrequenz anliegt. Dabei kann der Vibrator 10 selbst in einem Fall AN/AUS geschaltet werden, daß die Treiberspannung an dem Vibrator 10 in der Periode bzw. Zeit dauer nicht anliegt, während der die Nichtresonanzfrequenz anliegt. Fig. 7 shows the result of a measurement of the input impedance frequency characteristic of the vibrator 10, measured by an impedance analyzer. From this result it is evident that the resonance frequency Fr of the vibrator 10 is 29.4 kHz. A drive with this resonance frequency Fr generates a large vibration. The drive with a frequency different from the resonance frequency, in particular a non-resonance frequency, generates a weak oscillation because the drive energy cannot penetrate due to the high impedance. In the above embodiment, the drive of the vibrator 10 is turned ON and OFF by alternately applying the resonance frequency and the non-resonance frequency. The vibrator 10 can be switched ON / OFF even in a case that the drive voltage on the vibrator 10 is not present in the period or time during which the non-resonance frequency is present.
Die Vibration wird für den Fall beschrieben, daß der Vibrator 10 mit der Resonanzfre quenz vibriert.The vibration is described in the event that the vibrator 10 vibrates with the resonance frequency.
Die Vibration des piezoelektrischen Elements 1 mit der Resonanzfrequenz erzeugt die Aus dehnungs/-Schrumpfungsverformung des piezoelektrischen Elements 1, und der Vibrator 10 wird zu einer Biegeschwingung angeregt, wie in Fig. 8 dargestellt. Diese Biegeschwin gung ist eine resultierende Bewegung der Ausdehnungs-/Schrumpfungsbewegung in senk rechter Richtung in der Figur (Längsvibration) und Biegeschwingung in der horizontalen Richtung der Figur (Biegevibration).The vibration of the piezoelectric element 1 with the resonance frequency produces the expansion / shrinkage deformation of the piezoelectric element 1 , and the vibrator 10 is excited to a bending vibration as shown in FIG. 8. This bending vibration is a resultant movement of the expansion / contraction movement in the vertical direction in the figure (longitudinal vibration) and bending vibration in the horizontal direction of the figure (bending vibration).
Ein Zyklus dieser Schwingung ist im Detail in Fig. 9 beschrieben. Für ein einfaches Ver ständnis der Bewegung des Endes (das untere Ende in der Figur) ist das Ende mit einem schwarzen Punkt in der Mitte der Fig. 9 markiert. Bei t = 0 (Fig. 9(a)) wird das Ende (schwarzer Punkt) so gebogen, daß es sich nach rechts bewiegt. Dann, nach einem Viertel zyklus bei t = π/2 (Fig. 9(b)) schrumpft der Vibrator 10 und das Ende (schwarzer Punkt) bewegt sich nach oben. Bei t = π (Fig. 9(c)) wird das Ende (schwarzer Punkt) derart ge bogen, daß es sich nach links bewegt. Nach einem weiteren Viertelzyklus bei t = 3 π/2 (Fig. 9(d)) dehnt sich der Vibrator 10 aus und das Ende (schwarzer Punkt) bewegt sich nach unten in der Figur. Entsprechend zeigt die Spur des schwarzen Punktes während ei nes Zykluses eine elliptische Bewegung, wie in Fig. 9 dargestellt.A cycle of this vibration is described in detail in FIG. 9. For a simple understanding of the movement of the end (the lower end in the figure), the end is marked with a black dot in the middle of FIG. 9. At t = 0 ( Fig. 9 (a)) the end (black dot) is bent so that it moves to the right. Then, after a quarter cycle at t = π / 2 ( Fig. 9 (b)), the vibrator 10 shrinks and the end (black dot) moves up. At t = π ( Fig. 9 (c)), the end (black dot) is bent such that it moves to the left. After another quarter cycle at t = 3π / 2 ( Fig. 9 (d)), the vibrator 10 expands and the end (black dot) moves down in the figure. Accordingly, the trace of the black dot shows an elliptical movement during one cycle, as shown in FIG. 9.
Wenn an diesem Ende ein Rohr befestigt ist, dem Pulver zugeführt wird, dann wird das Pulver mit schwimmender bzw. schwebender Bewegung in die linke Richtung beschleunigt und zur linken Seite bewegt.If there is a pipe attached to this end where powder is added, it will Powder accelerated with floating or floating movement in the left direction and moved to the left.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 wird die Steuerschaltung der Pulverzufuhrvor richtung beschrieben. Fig. 3 zeigt die Steuerschaltung für die Pulverzufuhrvorrichtung und Fig. 1 zeigt das konzeptionelle Bockschaltbild der Steuerschaltung.With reference to FIGS. 1 and 3, the control circuit of the powder feed device will be described. FIG. 3 shows the control circuit for the powder feed device and FIG. 1 shows the conceptual block diagram of the control circuit.
Gemäß Fig. 1 und 3 ist die PLL-Schaltung 11 mit der Tastverhältnis-Steuerschaltung 12 verbunden. Die Tastverhältnis-Steuerschaltung 12 ist mit der Treiberschaltung 13 ver bunden. Die Treiberschaltung 13 ist mit dem Ultraschallmotor 16 verbunden. Der Ultra schallmotor 16 ist mit dem Strommonitor 15 verbunden. Weiter ist der Widerstand 14 se riell mit dem Strommonitor 15 verbunden. Der Strommonitor 15 ist mit dem Nulldurch gangskomparator 17 als Nulldurchgangswandlereinrichtung verbunden. Der Nulldurch gangskomparator 17 ist mit der PLL-Steuerschaltung 11 verbunden. Der Strommonitor 15, Widerstand 14 und der Nulldurchgangskomparator 17 bilden eine Rückkopplungseinrich tung zum Rückkoppeln der Restfrequenz auf die PLL-Steuerschaltung 11, wie nachstehend erläutert.According to Fig. 1 and 3, the PLL circuit 11 is connected to the duty cycle control circuit 12. The duty cycle control circuit 12 is connected to the driver circuit 13 . The driver circuit 13 is connected to the ultrasonic motor 16 . The ultra sound motor 16 is connected to the current monitor 15 . Next, the resistor 14 is connected in series with the current monitor 15 . The current monitor 15 is connected to the zero crossing comparator 17 as a zero crossing converter device. The zero-crossing comparator 17 is connected to the PLL control circuit 11 . The current monitor 15 , resistor 14 and the zero-crossing comparator 17 form a feedback device for feeding back the residual frequency to the PLL control circuit 11 , as explained below.
Die Wirkungsweise der Steuervorrichtung der Pulverzufuhrvorrichtung mit der wie vorste hend beschriebenen aufgebauten Steuerschaltung wird im folgenden erläutert. Die Tastver hältnis-Steuerschaltung 12 beaufschlagt den Vibrator 10 des Ultraschallmotors 16 während einer Zeitdauer entsprechend dem Tastverhältnis, wie in Fig. 2 dargestellt, mit der Wech selspannung mit der Resonanzfrequenz von 29,4 kHz. Wie aus Fig. 2 verständlich, liegt die Wechselspannung während des "NIEDER"-Bereiches des Tastverhältnis-Taktes an und liegt während des "HOCH"-Bereiches nicht an.The operation of the control device of the powder supply device with the control circuit constructed as described above is explained below. The Tastver ratio control circuit 12 acts on the vibrator 10 of the ultrasonic motor 16 for a period of time corresponding to the duty cycle, as shown in Fig. 2, with the AC voltage with the resonance frequency of 29.4 kHz. As can be understood from FIG. 2, the AC voltage is present during the "LOW" range of the duty cycle clock and is not present during the "HIGH" range.
Dadurch wird der Vibrator 10 mit der Resonanzfrequenz oszilliert bzw. in Schwingungen versetzt. Wenn die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht anliegt, schwingt der Oszillator 10 aufgrund seiner Restoszillation.As a result, the vibrator 10 is oscillated or set in vibration at the resonance frequency. If the AC voltage with the resonance frequency is not present, the oscillator 10 oscillates due to its residual oscillation.
Hier tritt ein Fall auf, daß die aktuelle Resonanzfrequenz Fr' des Vibrators 10 sich auf ei nen von der Resonanzfrequenz Fr verschiedenen Wert ändert, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 dargestellt, aufgrund eines äußeren Einflusses, wie einer Laständerung, die in dem Vibrator 10 auftritt. Um diesen Fall zu verarbeiten, wird die PLL-Steuerung 11 derart zu der Steuerschaltung hinzugefügt, daß die Resonanzfrequenz Fr, die an dem Vi brator 10 liegt, automatisch der aktuellen Resonanzfrequenz Fr' des Vibrators 10 folgt.Here, there occurs a case that the actual resonance frequency Fr 'of the vibrator 10 changes to a value different from the resonance frequency Fr, as shown by the broken line in Fig. 7, due to an external influence such as a load change occurring in the Vibrator 10 occurs. In order to process this case, the PLL controller 11 is added to the control circuit in such a way that the resonance frequency Fr, which is at the vibrator 10 , automatically follows the current resonance frequency Fr 'of the vibrator 10 .
Die PLL-Steuerschaltung 11 hat eine in Fig. 4 dargestellte Schleifenschaltung und kann rasch und genau gegen eine leichte Abweichung zwischen beiden Frequenzen arbeiten. Die PLL-Steuerschaltung 11 ist eine Rückkopplungs-Schleifenschaltung, die das Basisband signal aus der modulierten Trägerwelle extrahiert (demoduliert) und ist aus dem Phasen komparator 101, dem Spannungssteueroszillator 103 und dem Schleifenfilter 102, wie in Fig. 4 dargestellt, aufgebaut. In der PLL-Steuerschaltung 11 werden Phasen des modulier ten Eingangssignals und des Ausgangssignals des Spannungssteueroszillators 103 in dem Phasenkomparator 101 miteinander verglichen, und die Frequenz des Spannungssteueros zillators 103 wird aufgrund des Ausgangssignals des Phasenkomparators 101 nach Durch tritt durch den Schleifenfilter 102 gesteuert.The PLL control circuit 11 has a loop circuit shown in Fig. 4 and can work quickly and accurately against a slight deviation between the two frequencies. The PLL control circuit 11 is a feedback loop circuit which extracts (demodulates) the baseband signal from the modulated carrier wave and is composed of the phase comparator 101 , the voltage control oscillator 103 and the loop filter 102 , as shown in FIG. 4. In the PLL control circuit 11, phases are compared the modulier th input signal and the output signal of the voltage control oscillator 103 in the phase comparator 101 to each other, and the frequency of Spannungssteueros zillators 103 is controlled on the basis of the output signal of the phase comparator 101 after passing through the loop filter 102nd
Wenn beispielsweise die Frequenzen des Eingangssignals und des Spannungssteueroszilla tors 103 voneinander verschieden sind, wird von dem Phasenkomparator 101 das Schwe bungssignal erzeugt, das den Frequenzunterschied zwischen beiden Signalen entspricht. Während in Fig. 5 das Ausgangssignal im Synchronbereich in der PLL-Steuerschaltung 11 liegt, nähert sich die Frequenz des Spannungssteueroszillators 103 während der positiven Halbperiode der Frequenz des Eingangssignals und entfernt sich davon im Gegensatz dazu während der negativen Halbperiode. Auf diese Weise ändert sich die Gleichspannungskom ponente in der positiven Halbperiode langsam im Vergleich zur negativen Halbperiode und der Pegel der Gleichspannungskomponente wird insgesamt positiv. Der Spannungssteueros zillator 103 ist-derart gesteuert, daß der Frequenzunterschied aufgrund der Gleichspannung klein wird. Der Spannungssteueroszillator 103 synchronisiert vollständig, wenn die Ant wort der PLL-Steuerschaltung 11 der Welle des Schwebungssignals folgen kann.For example, if the frequencies of the input signal and the Spannungssteueroszilla tors are different from each other 103, the swing is generated beat signal from the phase comparator 101, which corresponds to the frequency difference between the two signals. In Fig. 5, while the output signal is in the synchronous range in the PLL control circuit 11 , the frequency of the voltage control oscillator 103 approaches the frequency of the input signal during the positive half period and, conversely, moves away from it during the negative half period. In this way, the DC component in the positive half period slowly changes compared to the negative half period and the level of the DC component becomes positive overall. The voltage control zillator 103 is controlled such that the frequency difference due to the DC voltage becomes small. The voltage control oscillator 103 fully synchronizes when the response of the PLL control circuit 11 can follow the wave of the beat signal.
Wenn die Tastverhältnis-Steuerschaltung 12 an die Treiberschaltung 13 nicht die Resonanz frequenz liefert, schwingt der Ultraschallmotor 16 aufgrund der auf seine Trägheit zurück gehenden Restoszillation leicht. Dabei ist die Frequenz der Restoszillation die gleiche, wie die Frequenz unmittelbar bevor die Spannungsbeaufschlagung von der Tastverhältnis- Steuerschaltung 12 her beendet wird, obwohl die Amplitude klein ist. Aufgrund der vorste hend erläuterten Restoszillation wird im Vibrator eine elektromotorische Kraft erzeugt.If the duty ratio control circuit 12 does not supply to the drive circuit 13, the resonant frequency of the ultrasonic motor 16 vibrates slightly due to its inertia returning residual oscillation. The frequency of the residual oscillation is the same as the frequency immediately before the voltage application from the duty cycle control circuit 12 is ended, although the amplitude is small. Due to the above-described residual oscillation, an electromotive force is generated in the vibrator.
In der Steuerschaltung gemäß Fig. 1 ist der Widerstand 14 seriell an den Strommonitor 15 angeschlossen, so daß er den Stromfluß unterstützt, der von der elektromotorischen Kraft erzeugt wird, wodurch zu dem Strommonitor 15 genügend Strom fließt, und gleichzeitig wird der Strom in eine Spannung umgewandelt, indem die Phase verschoben (verzögert) wird.In the control circuit shown in FIG. 1, the resistor 14 is connected in series to the current monitor 15 so that it supports the current flow generated by the electromotive force, whereby enough current flows to the current monitor 15 , and at the same time the current becomes a voltage converted by shifting (delaying) the phase.
Die von dem Strommonitor 15 aufgenommene Spannung wird durch den Nulldurchgangs komparator 17 hindurchgeführt und das Signal aus dem Nulldurchgangskomparator 17 wird als die Resonanzfrequenzinformation der aktuellen Resonanzfrequenz auf die PLL- Steuerschaltung 11 rückgekoppelt. Dadurch kann die aktuelle Resonanzfrequenz der Rest oszillation aufgrund der elektromotorischen Kraft genau erhalten werden und es kann ein für das Rückkopplungssignal der PLL-Steuerschaltung 11 genügendes Signal erhalten.The power consumed by the current monitor 15 voltage is passed through the zero-crossing comparator 17 and the signal from the zero-cross comparator 17 is fed back as the resonance frequency information of the current resonance frequency to the PLL control circuit. 11 As a result, the current resonance frequency of the residual oscillation can be obtained exactly on the basis of the electromotive force, and a signal sufficient for the feedback signal of the PLL control circuit 11 can be obtained.
Daten zur Erklärung der vorstehend erläuterten Betriebsweise sind in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 zeigt Fig. 2(a) den Tastverhältnis-Takt, basierend auf dem die Tastverhältnis- Steuerung durchgeführt wird, Fig. 2(b) zeigt die Treiberspannung in der Treiberschaltung 13 und die elektromotorische Kraft, die in dem Ultraschallmotor 16 erzeugt wird; Fig. 2(c) zeigt den Laststrom I, der von dem Strommonitor 15 erfaßt wird, und Fig. 2(d) zeigt das Ausgangssignal des Nulldurchgangskomparators 17.Data for explaining the operation explained above is shown in Fig. 2. In Fig. 2, Fig. 2 (a) shows the duty cycle based on which the duty control is performed, Fig. 2 (b) shows the driving voltage in the driver circuit 13 and the electromotive force generated in the ultrasonic motor 16 becomes; FIG. 2 (c) shows the load current I detected by the current monitor 15 , and FIG. 2 (d) shows the output signal of the zero-crossing comparator 17 .
Wie in Fig. 2(a), 2(b) dargestellt, ist es verständlich, daß die elektromotorische Kraft auf grund der Restoszillation erzeugt wird, wenn die Treiberspannung nicht von der Tastver hältnis-Steuerschaltung 12 her anliegt. Der Strommonitor 15 erfaßt die elektromotorische Kraft als Laststrom I, wie in Fig. 2(c) dargestellt. Danach gelangt das Signal durch den Nulldurchgangskomparator 17 hindurch, wodurch die Frequenzinformation erhalten werden kann, selbst wenn die Spannung der elektromotorischen Kraft in dem Ultraschallmotor 16 gering ist. Die Frequenz der elektromotorischen Kraft aufgrund der Restoszillation ist mit dem Vibrator 10 synchron; daher kann die PLL-Steuerschaltung 11 durch Rückkopplung der Frequenz auf die PLL-Steuerschaltung 11 wirksam betrieben werden.As shown in Fig. 2 (a), 2 (b), it is understandable that the electromotive force is generated due to the residual oscillation when the drive voltage is not present from the Tastver ratio control circuit 12 ago. The current monitor 15 detects the electromotive force as the load current I, as shown in Fig. 2 (c). Thereafter, the signal passes through the zero-crossing comparator 17 , whereby the frequency information can be obtained even if the voltage of the electromotive force in the ultrasonic motor 16 is low. The frequency of the electromotive force due to the residual oscillation is synchronous with the vibrator 10 ; therefore, the PLL control circuit 11 can be operated effectively by feedback of the frequency to the PLL control circuit. 11
Wie im Detail erläutert, enthält in der Antriebsvorrichtung für den Vibrator entsprechend der geschilderten Ausführungsform die Treiberschaltung; die Tastverhältnis-Steuerschal tung 12, die die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz während einer Zeitdauer ent sprechend dem Tastverhältnis an den Vibrator 10 legt; den Strommonitor 15, der die Rest frequenz der elektromotorischen Kraft erfaßt, die aufgrund der Restoszillation des Vibrators 10 erzeugt wird, wenn die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht von der Tast verhältnis-Steuerschaltung 12 her angelegt wird, und die erfaßte Restfrequenz durch den Nulldurchgangskomparator 17 hindurch auf die PLL-Steuerschaltung 11 zurückkoppelt. Entsprechend dem vorgenannten Aufbau kann die PLL-Steuerschaltung 11 wirksam arbei ten, selbst wenn die Wechselspannung von der Tastverhältnis-Steuerschaltung 12 her nicht anliegt, wodurch die an dem Vibrator 10 anliegende Resonanzfrequenz ständig rasch und genau der aktuellen Resonanzfrequenz Fr' des Vibrators 10 folgen kann, wenn die Fre quenz des Vibrators 10 sich aktuell ändert.As explained in detail, in the drive device for the vibrator according to the described embodiment contains the driver circuit; the duty cycle control circuit 12 , which applies the AC voltage to the resonance frequency for a period of time corresponding to the duty cycle to the vibrator 10 ; the current monitor 15 , which detects the residual frequency of the electromotive force generated due to the residual oscillation of the vibrator 10 when the AC voltage with the resonance frequency is not applied from the duty cycle control circuit 12 , and the detected residual frequency through the zero-crossing comparator 17 feeds back to the PLL control circuit 11 . According to the above construction, the PLL control circuit 11 can work effectively even when the AC voltage from the duty cycle control circuit 12 is not applied, whereby the resonance frequency applied to the vibrator 10 can constantly quickly and accurately follow the current resonance frequency Fr 'of the vibrator 10 when the frequency of the vibrator 10 is currently changing.
Weiter enthält die Pulverzufuhrvorrichtung der geschilderten Ausführungsform: den Vibra tor 10, dessen oberes Ende sich mit elliptischer Bewegung bewegt, wenn die Resonanzfre quenz Fr (29,4 kHz) an dem elektrischen Element 1 liegt; das Rohr 20, das an dem oberen Ende des Vibrators 10 und dem Trichterkörper 30 befestigt ist, der das Pulver P dem Rohr 20 zuführt; die Tastverhältnis-Steuerschaltung 12, die die Wechselspannung mit der Reso nanzfrequenz während einer Zeitdauer entsprechend dem Tastverhältnis anlegt; die PLL- Steuerschaltung 11, mittels der die an dem Vibrator 10 liegende Resonanzfrequenz der ak tuellen Resonanzfrequenz Fr' folgen kann, wenn sich die Resonanzfrequenz des Vibrators 10 aktuell auf die Frequenz Fr' ändert; den Strommonitor 15, der die Restfrequenz der elektromotorischen Kraft erfaßt, die aufgrund der Restschwingung des Vibrators 10 erzeugt wird, wenn die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz von der Tastverhältnis-Steuer schaltung 12 her nicht anliegt, und die erfaßte Restfrequenz durch den Nulldurchgangs komparator 17 auf die PLL-Steuerschaltung 11 rückkoppelt. Daher kann die PLL-Steue rung mittels der PLL-Steuerschaltung 11 kontinuierlich erfolgen, selbst wenn die Wechsel spannung aufgrund der Tastverhältnis-Steuerschaltung 12 nicht an dem piezoelektrischen Element 1 liegt, wodurch die Zufuhrmenge an Pulver P mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann.Further, the powder feeder of the above embodiment includes: the vibrator 10 , the upper end of which moves with elliptical motion when the resonance frequency Fr (29.4 kHz) is on the electrical element 1 ; the tube 20 attached to the upper end of the vibrator 10 and the funnel body 30 which supplies the powder P to the tube 20 ; the duty cycle control circuit 12 which applies the AC voltage with the resonance frequency for a period of time corresponding to the duty cycle; the PLL control circuit 11 , by means of which the resonance frequency lying on the vibrator 10 can follow the current resonance frequency Fr 'when the resonance frequency of the vibrator 10 is currently changing to the frequency Fr'; the current monitor 15 , which detects the residual frequency of the electromotive force, which is generated due to the residual vibration of the vibrator 10 when the AC voltage with the resonance frequency of the duty cycle control circuit 12 is not present, and the detected residual frequency by the zero crossing comparator 17 on the PLL control circuit 11 feeds back. Therefore, the PLL control by means of the PLL control circuit 11 can be carried out continuously even if the AC voltage due to the duty cycle control circuit 12 is not due to the piezoelectric element 1 , whereby the supply amount of powder P can be controlled with high accuracy.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsformen im De tail dargestellt und beschrieben; dem Fachmann leuchtet jedoch ein, daß darin Änderungen durchgeführt werden können, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird.The invention has been described with reference to its preferred embodiments in De tail shown and described; however, it is obvious to the person skilled in the art that there are changes can be carried out without leaving the inventive concept.
Beispielsweise wurde in der Pulverzufuhrvorrichtung der vorbeschriebenen Ausführungs form zwar der Ultraschallmotor mit den piezoelektrischen Elementen als Antriebsquelle verwendet; die Erfindung kann jedoch in einem weiten Feld auf Vorrichtungen angewendet werden, bei denen der Vibrator intermittierend von der Treiberspannung mit der Resonanz frequenz angetrieben wird.For example, in the powder feeder, the above-described embodiment the ultrasonic motor with the piezoelectric elements as the drive source used; however, the invention can be applied to devices in a wide field where the vibrator is intermittent from the driving voltage with the resonance frequency is driven.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung als Steuerverfahren für den Resonator in dem Fischdetektor oder der Ultraschallbearbeitungsmaschinen, wie Ultraschall-Schweißvor richtungen, verwendet werden, wie sie zum Schweißen oder Bearbeiten von Kunststoffen eingesetzt werden.For example, the present invention can be used as a control method for the resonator in the fish detector or the ultrasonic processing machines, such as ultrasonic welding directions, such as those used for welding or processing plastics be used.
Claims (12)
eine phasenstarre PLL-Steuereinrichtung (11) zum Folgen einer Resonanzfre quenz (Fr) mit einer aktuellen Resonanzfrequenz (Fr'), wenn die Resonanzfrequenz sich aktuell ändert;
eine Tastverhältnis-Steuereinrichtung (12) zum Anlegen der Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz an den Vibrator entsprechend einem Tastverhältnis;
welche Antriebsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie weiter enthält;
eine Rückkopplungseinrichtung (15, 14, 17) zum Erfassen einer Restfrequenz einer elektromotorischen Kraft, die aufgrund einer Restoszillation des Vibrators (10) er zeugt wird, wenn die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht an dem Vibrator (10) liegt, und zum Rückkoppeln der erfaßten Restfrequenz auf die PLL-Steuereinrichtung (11).1. Drive device for driving a vibrator by applying an alternating voltage with a resonant frequency to the vibrator ( 10 ), which contains the drive device:
phase locked PLL control means ( 11 ) for following a resonance frequency (Fr) with a current resonance frequency (Fr ') when the resonance frequency is currently changing;
duty cycle control means ( 12 ) for applying the AC voltage at the resonance frequency to the vibrator in accordance with a duty cycle;
which drive device is characterized by further containing;
a feedback device ( 15 , 14 , 17 ) for detecting a residual frequency of an electromotive force which is generated due to a residual oscillation of the vibrator ( 10 ) when the AC voltage with the resonance frequency is not on the vibrator ( 10 ), and for feedback of the detected Residual frequency on the PLL control device ( 11 ).
eine Strommonitoreinrichtung (15) zum Erfassen des Laststroms aufgrund der elektromotorischen Kraft und zum Umwandeln des Laststroms in eine Spannung;
einen Widerstand (14), um den Laststrom zur Strommonitoreinrichtung zu lei ten; und
eine Wandlereinrichtung (17) zum Wandeln der Spannung in eine Phaseninfor mation und Oszillationsfrequenzinformation und zum Eingeben sowohl der Phaseninforma tion als auch der Oszillationsfrequenzinformation in die PLL-Steuereinrichtung (11).2. The drive device of claim 1, wherein the feedback device includes:
current monitor means ( 15 ) for sensing the load current based on the electromotive force and converting the load current into a voltage;
a resistor ( 14 ) to pass the load current to the current monitor device; and
a converter device ( 17 ) for converting the voltage into a phase information and oscillation frequency information and for inputting both the phase information and the oscillation frequency information into the PLL control device ( 11 ).
einen Vibrator (10) mit einem oberen Ende, das mit einer elliptischen Bewe gung oszilliert, wenn eine Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz (Fr) anliegt;
eine Pulverzufuhrbahn (20), die an dem oberen Ende des Vibrators (10) befes tigt ist;
einen Pulverspeichertrichter (30) zum Speichern und Zuführen des Pulvers zu der Pulverzuführbahn (20);
eine Tastverhältnissteuereinrichtung (12) zum Anlegen der Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz an den Vibrator entsprechend einem Tastverhältnis;
eine phasenstarre (PLL) Steuereinrichtung (11) zum Folgen der Resonanzfre quenz mit einer aktuellen Resonanzfrequenz, wenn die Resonanzfrequenz sich aktuell än dert,
welche Pulverzufuhrvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie weiter ent hält:
eine Rückkopplungseinrichtung (15, 14, 17), zum Erfassen einer Restfrequenz einer elektromotorischen Kraft, die aufgrund einer Restoszillation des Vibrators (10) er zeugt wird, wenn die Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz nicht an dem Vibrator (10) liegt und zum Rückkoppeln der erfaßten Restfrequenz auf die PLL-Steuereinrichtung (11).6. Powder feed device containing:
a vibrator ( 10 ) having an upper end which oscillates with an elliptical movement when an AC voltage with a resonance frequency (Fr) is applied;
a powder feed path ( 20 ) attached to the upper end of the vibrator ( 10 );
a powder storage hopper ( 30 ) for storing and feeding the powder to the powder feed path ( 20 );
duty cycle control means ( 12 ) for applying the AC voltage at the resonance frequency to the vibrator in accordance with a duty cycle;
a phase-locked (PLL) control device ( 11 ) for following the resonance frequency with a current resonance frequency when the resonance frequency is currently changing,
which powder feed device is characterized in that it further contains:
a feedback device ( 15 , 14 , 17 ) for detecting a residual frequency of an electromotive force which is generated due to a residual oscillation of the vibrator ( 10 ) when the AC voltage with the resonance frequency is not on the vibrator ( 10 ) and for feedback of the detected Residual frequency on the PLL control device ( 11 ).
eine Strommonitoreinrichtung (15), zum Erfassen eines Laststroms aufgrund der elektromotorischen Kraft und Umwandeln des Laststroms in eine Spannung;
einen Widerstand (14), um den Laststrom zu der Strommonitoreinrichtung zu leiten;
eine Wandlereinrichtung (17) zum Umwandeln der Spannung in eine Phasenin formation und eine Oszillationsfrequenzinformation und Eingeben sowohl der Phaseninfor mation als auch der Oszillationsfrequenzinformation in die PLL-Steuereinrichtung.7. The powder feeder of claim 6, wherein the feedback means includes:
current monitor means ( 15 ) for detecting a load current due to the electromotive force and converting the load current into a voltage;
a resistor ( 14 ) to conduct the load current to the current monitor device;
converter means ( 17 ) for converting the voltage into phase information and oscillation frequency information and inputting both the phase information and the oscillation frequency information into the PLL control means.
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